Sie sind hier: strahlwissen / geschichte
25. März 2017 | 12:32

Geschichte der industriellen Strahltechnik

Abb. 1: Windkanter aus dem Grand Canyon

Ursprünge

Die Entwicklung der Strahltechnik lässt sich letztlich auf Naturbeobachtungen zurückführen, wie sie beispielsweise in Wüsten gemacht werden können. Ein abrasives Medium wie der Wüstensand wird durch Wind mit hoher Geschwindigkeit auf Oberflächen beschleunigt, die unter dauernder Strahleinwirkung charakteristische Schliffbilder aufweisen. Diese sogenannte Korrasion oder Windabrasion fällt insbesondere dort auf, wo eng aneinander liegende Oberflächenschichten unterschiedlicher Härte bestrahlt werden. Entsprechende Fundstücke sind die so genannten Windkanter wie in Abbildung 1 mit unterschiedlich ausgewaschenen Schichten und daraus resultierenden bizarren Formen.

Eine andere Theorie zur Entdeckung der Strahlwirkung geht auf die Beobachtung zurück, dass sich nach Sandstürmen in bewohnten Gegenden das Muster von Fenstergittern auf der Fensterscheibe abzeichnet. Das gezielte Mattieren von Glas zu gestalterischen und künstlerischen Zwecken war jedenfalls eine der ersten Anwendungen der Strahltechnik überhaupt.

Erfindung der Strahltechnik

Der Begründer der Strahltechnik war der US-Amerikaner undefinedBenjamin Chew Tilghman (1821-1901) aus Philadelphia, Pennsylvania, der nach erfolgreichem Jurastudium zunächst als Chemiker arbeitete und mit seinem Bruder Richard nach Europa reiste, um Labore, Chemiebetriebe und Papiermühlen zu besuchen. Neben der Papierherstellung beschäftigten sich die Brüder gleichzeitig aber auch mit neuen Verfahren zur Herstellung von Stahlschrot bzw. Stahlkies, die zum Sägen, Bohren und Schleifen von Stein zum Einsatz kamen.

Die bahnbrechenden Ideen Benjamin Tilghmans im Bereich der Oberflächenbearbeitung entstanden aber erst nach Ende des amerikanischen Bürgerkrieges 1865, an dem er auf der Seite der Nordstaaten teilnahm. Sein erstes und zugleich bedeutendstes Patent war das britische UK Patent 2147 vom 01.08.1870, das noch kurz vor seinem annähernd identischen amerikanischen undefinedUS Patent 108408 vom 18.10.1870 erschien. Bereits in diesen Patentschriften legte er die wesentlichen Grundlagen der Strahltechnik in Bezug auf mögliche Anwendungen, geeignete Strahlmittel sowie Techniken zur Beschleunigung des Strahlmittels. Eine entsprechende Würdigung findet sich etwa undefinedhier. Des Weiteren führt er für den beschleunigten Strahlmittelstrom den Begriff „sand-blast”, also „Sandstrahl” ein und ist damit Namensgeber für das neue Verfahren Sandstrahlen.

Mit den genannten Patenten ließ sich Tilghman ein neues Verfahren u.a. zum „Schneiden, Schleifen und Gravieren von Stein, Glas oder anderen harten Materialien” schützen. Als weitere mögliche Anwendungen erwähnt er etwa das Putzen von Gussteilen oder auch das Reinigen von Hausfassaden. Zur Beschleunigung möglicher Strahlmittel wie z.B. Quarzsand sieht er einen „rapiden Dampf-, Luft- oder Wasserstrahl” vor. Bemerkenswert ist, dass er darüber hinaus u.a. auch eine direkte Strahlmittelbeschleunigung durch „die Zentrifugalkraft einer rotierenden Trommel” vorschlägt, womit er bereits hier den Grundstein für die spätere Entwicklung des Schleuderrades legt.

Abb. 2: Erstes patentiertes Sandstrahlgebläse von Benjamin Tilghman aus dem Jahre 1870 (UK Patent 2147 und US Patent 108408)

Druckluftstrahlen

Das Wirkprinzip der von Tilghman patentierten Anordnung gemäß Abbildung 2 ähnelt der heute als Injektorstrahlsystem bekannten Einheit. Der Sand oder ein anderes Strahlmittel wird zusammen mit Luft über einen flexiblen Schlauch und ein Rohr an einer mit Dampf oder einem anderen Fluid durchströmten Düse angesaugt und vom Dampfstrom mitgerissen. Die komplette Einheit ist durch den flexiblen Strahlmittelschlauch, die gelenkige Dampfleitung und die drehbar konzipierte Strahldüse in drei Achsen beweglich.

Zur Strahlführung und -fokussierung sieht Tilghman ein Düsenrohr als eigentliche Strahldüse und zusätzliche Leitbleche vor. Die Strahlmitteldosierung erfolgt erfolgt über die Mengeneinstellung am Zulauf aus dem Vorratsbehälter. Volumenstrom und Druck des Trägerstrahls werden durch den angeschlossenen Dampferzeuger oder andere Aggregate bestimmt. Für die Strahldüse gibt Tilghman einen Bohrungsdurchmesser von 38/100 inch, also knapp 10 mm an. Der vorgesehene Dampfdruck liegt bei 300 psi (pounds per square inch), also bei über 20 bar!

Tilghman selbst hatte aber bereits die Nachteile dieses Systems erkannt und erwähnt in seinen Patenten daher einen Behälter mit Sand, der unter Druck gesetzt wird und durch den der Sand erheblich effektiver beschleunigt werden kann. Hiermit beschreibt er bereits das heute als Druckstrahlen bekannte Prinzip, das in den Folgejahren ebenfalls zur Anwendungsreife weiterentwickelt wurde.

Abb. 3: Erste patentierte Strahlräder von Benjamin Tilghman aus dem Jahre 1870 in Schlagschaufel- ...

Schleuderradstrahlen

Der Einsatz der Zentrifugalkraft zur Beschleunigung des Strahlmittels wurde durch Benjamin Tilghmans zweites britisches Patent UK Patent 2900 vom 03.11.1870 erstmals eingehend beschrieben. Tilghman schlägt zwei verschiedene Ausführungen für ein „blast wheel”, also ein „Strahlrad” vor. Bei der Ausführung nach Abbildung 3 fließt das Strahlmittel über Schwerkraft von außen zwischen die Schaufeln und wird von diesen in die Strahlrichtung weggeschlagen. Die zweite Ausführung gemäß Abbildung 4 beschreibt ein hohles Schleuderrad mit innen liegenden, nach vorn gekrümmten Schaufeln und einer axialen Zuführung des Strahlmittels über ein Zentralrohr.

Abb. 4: ... und Gleitschaufelbauart (UK Patent 2900)

Mit der Schlagschaufelbauart erkannte schon Tilghman das Problem des starken Verschleißes der Schaufeloberfläche und des Strahlmittels, für das wie beim Druckluftstrahlen zunächst Quarzsand vorgesehen war. Mit der Gleitschaufelbauart erfolgt eine wesentlich harmonischere und stoßfreie Beschleunigung des Strahlmittels, das in diesem Fall aber am gesamten Radumfang abgeworfen wird. Eine Einstellung der Strahlrichtung und eine damit verbundene effektive Nutzung der Strahlenergie sind nicht möglich. Aus den genannten Gründen eigneten sich diese Schleuderräder kaum für den industriellen Einsatz, waren aber Grundlage für spätere Weiterentwicklungen.

Industrieller Einsatz und Entwicklung

Druckluftstrahlen

In seinem ersten britischen Patent beschreibt Benjamin Tilghman bereits eine industriell einsetzbare Maschine für das halbautomatische Mattieren von Glasplatten. Über Tilghmans erste industrielle Aktivitäten existieren widersprüchliche inhaltliche und zeitliche Angaben.

Er verlegte seine Aktivitäten nach England und gründete unter dem Namen 'Tilghman Patent Sand Blast Comp. Ltd.' in London die erste Gesellschaft für Herstellung und Verkauf von Sandstrahlgebläsen auf Basis seiner Erfindung. Lukrative Anwendungen waren zunächst das ansonsten aufwendige Schärfen bzw. Aufrauen von Feilen. Später verlegte er seinen Betrieb nach Altrincham in Cheshire. Der Standort und der Name Tilghman als Markenname für Strahlmaschinen sind bis heute erhalten geblieben.

Für das Druckluftstrahlen wurde bis weit in die Zwanziger Jahre des 20. Jahrhunderts fast ausschließlich Quarzsand als Strahlmittel eingesetzt. Auf Grund der starken Staubentwicklung konnten die Strahlarbeiten nur in abgelegenen Betriebsteilen ausgeführt werden. Die gesundheitlichen Gefahren für die Arbeiter waren durch die häufig auftretenden Silikoseerkrankungen erheblich. Für eine Weiterentwicklung des Verfahrens sowie eine Verbreiterung der Anwendungen benötigte man insbesondere andere Strahlmittel, die später zunächst in Form von kugeligem und gebrochenem Hartguss zum Einsatz kamen.

Für großtechnische Anwendungen in der aufkommenden Massenproduktion wie etwa beim Putzen von Guss- oder dem Entzundern von Schmiedeteilen benötigte man hingegen mehr Strahlleistung in Form von größeren Strahlmittelströmen, die mit der Drucklufttechnik nicht zu realisieren waren. Hierzu wurde intensiv an der Weiterentwicklung der Schleuderradtechnik gearbeitet, die nach 1930 vermehrt zum Einsatz kam, für die Quarzsand als Strahlmittel auf Grund des hohen Verschleißes jedoch ungeeignet war. Die spätere starke Verbreitung der Strahlmaschinen war die Folge einer parallelen Entwicklung metallischer Strahlmittel und effizienter Schleuderräder.

Abb. 5: Patentiertes Schleuderrad in Schlagschaufelbauart von Hans Weber und Karl Grochol aus dem Jahre 1931 (Deutsches Reichspatent 538349)

Schleuderradstrahlen

In Deutschland ließen sich die Erfinder Hans Weber und Karl Grocholl mit dem undefinedReichspatent 539056 vom 05.11.1931 ein Schleuderrad mit zentraler Strahlmittelzufuhr und nur einer, rinnenartig ausgebildeten Wurfschaufel schützen, mit der erstmals ohne Umfangsleitbleche ein gerichteter Strahl erzeugt werden konnte. Wesentlich erfolgreicher waren die Erfinder jedoch mit ihrem Schleuderrad in Schlagschaufelbauart gemäß undefinedReichspatent 538349 vom 29.11.1931. Wie in Abbildung 5 dargestellt, handelt es sich hierbei um ein Rad mit zwei Wurfschaufeln, die zur Konzentration des Schleuderstrahls schräg oder von der Radialen abweichend einstellbar sind. Da dieses Schleuderrad sehr einfach und kostengünstig herzustellen ist, wurde die Bauart in ähnlicher Form trotz der oben beschriebenen Nachteile des Schlagschaufelprinzips bis in die Achtziger Jahre des 20. Jahrhunderts in nennenswertem Umfang eingesetzt.

Die erste nachhaltig erfolgreiche Schleuderradentwicklung stammt von 'The American Foundry Equipment Comp.' in Mishawaka, Indiana. Der Gießereiausrüster, der bereits 1930 so genannte Gussputztrommeln mit einem endlos umlaufenden Raupenband im Einsatz hatte, rüstete diese 1933 an Stelle von Druckluftdüsen erstmals mit neu konzipierten Schleuderrädern aus, die ausreichende Standzeiten der Wurfschaufeln erreichten. Für dieses Rad wurde die Wortmarke Wheelabrator eingetragen, die sich aus den Worttteilen „wheel” („Rad”) und „abrator” („Abtrager”, von Abrasion abgeleitetes Kunstwort) zusammensetzt. In einer Reihe von entsprechenden Patenten wird Verne E. Minich genannt.

Abb. 6: Patentiertes Schleuderrad von Verne E. Minich aus dem Jahre 1937 (US Patent 2077635)

Das Beispiel aus dem undefinedUS Patent 2077635 vom 20.04.1937 in Abbildung 6 zeigt erstmals eine Anordnung bestehend aus

  • einem innen rotierenden Verteilerrad oder Impeller zur Vorbeschleunigung des zentral zugeführten Strahlmittels,
  • dem außen rotierenden Schaufelrad, mit dem das Verteilerrad fest verbunden ist
  • und einer zwischen Verteiler und Wurfschaufeln fest stehenden Leithülse, die das im Inneren rotierende Strahlmittel nur durch mehrere am Umfang angeordnete Öffnungen nach außen zu den Wurfschaufeln freigibt.

Mit diesem Wirkprinzip konnten insbesondere die mit Tilghmans o.g. Lösungen verbundenen Probleme der zentrischen Strahlmittelzufuhr einerseits und der gleitenden Übergabe auf die Schaufeln theoretisch gelöst werden. Es sollte allerdings beachtet werden, dass auch mit diesem System keine wirklich stoßfreie Strahlmittelbeschleunigung im Inneren des Schleuderrades möglich ist.

Im Zuge der rasanten Entwicklung der nordamerikanischen Gießereiindustrie verbreitete sich auch die Anwendung der Schleuderradtechnik zum Gussputzen, die in verschiedenen Maschinentypen wie Raupenband-, Durchlauf- oder Drehtischanlagen im Vergleich mit den früheren Drucklufttechniken äußerst effektiv und wirtschaftlich einsetzbar war. Nachdem sich die Herstellerfirma des neuen Schleuderrades 1932 in 'The Wheelabrator Corporation' umbenannt hatte, entwickelte sich die Wortmarke Wheelabrator rasch zum generellen Synonym für eine Schleuderradstrahlanlage, das sich zumindest in Nordamerika bis heute halten konnte.

Nach Auslaufen der Schutzrechte begannen auch andere Strahlmaschinenbauer weltweit mit dem Nachbau der Schleuderräder. An dem prinzipiellen Aufbau der Konstruktion halten fast alle Hersteller bis heute fest, auch wenn verschiedene Weiterentwicklungen im Bereich der Vorbeschleunigung des Strahlmittels und der Übergabe auf die Wurfschaufeln auf dem Markt sind.

Jüngere industrielle Anwendungen

Über die hauptsächlichen industriellen Anwendungen zur Bauteilreinigung hinaus gewannen sowohl das Druckluft- als auch das Schleuderradstrahlen insbesondere im Bereich der Oberflächenverfestigung dynamisch beanspruchter metallischer Bauteile erheblich an Bedeutung. Die lebensdauersteigernde Wirkung einer gedrückten bzw. verfestigten Oberfläche wurde bereits 1929 in der Zeitschrift Stahl und Eisen ausführlich beschrieben [Stahl und Eisen Nr. 17 (1929), S. 575], kam aber erst nach Ende des zweiten Weltkriegs durch das so genannte Kugelstrahlen gezielt und in größerem Maßstab zum Einsatz. Diese Anwendung ist heute eine der elementaren Oberflächenbehandlungen im Bereich der Automobilindustrie sowie der Luft- und Raumfahrtindustrie.

Weitere Informationen über die verschiedenen Anwendungen der Strahltechnik sind auf der Seite undefinedstrahlanwendungen dargestellt.